Tras la decapitación de San Valentín, el cuerpo fue trasladado a Terni y sepultado en el lugar donde hoy se alza la actual Basílica. En esta zona originalmente se alzaba un cementerio pagano y en 1605 se halló el Sagrado Cuerpo, custodiado por los Frailes Carmelitas. Sobre el cementerio se erigió una primera basílica que a lo largo de los siglos sufrió destrucciones y reconstrucciones.
La fachada seicentesca, el elegante portal y el gran ventanal central fueron restaurados en 1854. El interior es de nave única, decorada con capiteles jónicos guirnaldados que sostienen un arquitrabe denticulado. En los muros laterales se abren dos capillas por lado con elegantes altares marmóreos seicentescos y pinturas al óleo sobre lienzo del siglo XVII.
En el Coro, en correspondencia con la urna con los restos de San Valentín, se encuentra un pequeño altar del siglo XVII que encierra una pintura oval sobre lienzo que representa el Martirio de San Valentín.
Junto al altar mayor destaca “La Virgen se aparece a San Valentín”, situado sobre el fondo de la Ciudad de Terni cerca de dos elegantes hachones de mármol policromado, colocados a los lados del presbiterio. Los hallazgos del “área valentiniana” se colocaron en una sala contigua y constituyen el pequeño Museo de San Valentín.
En el Museo hay inscripciones y losas paganas y cristianas, restos de decoraciones arquitectónicas, un sarcófago de época romana y pequeños fragmentos hallados durante las numerosas restauraciones de la Basílica a lo largo de los siglos.
